Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Краткий литературный обзор и анализ состояния вопроса 8
1.1. Появление и развитие ротационного резца 8
1.2. Обработка многолезвийными ротационными инструментами II
1.3. Критический анализ состояния вопроса. Постановка задач 15
Глава 2. Теоретические исследования процесса точения ВРР 23
2.1. Имитационная модель процесса 23
2.2. Закономерности изменения активной длины режущих кромок ВРР, толщины и площади среза 44
2.3. Условия равномерности процесса резания ВРР 65
2.4. Теоретическое исследование закономерностей дробления стружки 67
2.5. Формообразование при обработке ВРР 78
2.6. Теоретические предпосылки оптимизации и управления процессом резания ВРР 97
2.7. Выводы 101
Глава 3. Методика исследований 104
3.1. Проверка адекватности имитационной модели 104
3.2. Постановка машинного эксперимента 106
3.3. Конструкции винтовых ротационных резцов 112
3.4. Регулирование скорости вращения ВРР и соотношения К 118
3.5. Измерение величины соотношения К 120
3.6. Исследование неравномерности вращения ВРР 122
3.7. Исследование низкочастотных колебаний силы резания 127
3.8. Исследование потерь на трение и температурного режима подшипниковых узлов ротационного инструмента 129
3.9. Выводы 129
Глава 4. Экспериментальные исследования процесса резания ВРР 132
4.1. Экспериментальные исследования неравномерности вращения ВРР и величины соотношения К 132
4.2. Низкочастотные колебания силы резания 138
4.3. Анализ зависимости V = t ( I ) при точении ВРР 146
4.4. Исследование потерь на трение и температурного режима подшипниковых узлов ротационного инструмента 152
4.5. Экспериментальные исследования закономерностей формообразования и точности при обработке ВРР 155
4.6. Выводы 165
Глава 5. Оптимизация и управление процессом точения ВРР 167
5.1. Модель оптимизации процесса точения ВРР 167
5.2. Оптимизация процесса при черновой обработке 182
5.3. Оптимизация процесса при чистовой обработке 189
5.4. Адаптивное управление процессом точения ВРР 192
5.5. Выводы 201
Глава 6. Область эффективного использования. Основы проектирования и применения ВРР 205
6.1. Оценка работоспособности различных конструкций ВРР 205
6.2. Рекомендации по проектированию ВРР 207
6.3. Результаты опытно-промышленной проверки ВРР 211
Общие выводы 214
Литература 216
Приложения 235
- Появление и развитие ротационного резца
- Имитационная модель процесса
- Проверка адекватности имитационной модели
- Экспериментальные исследования неравномерности вращения ВРР и величины соотношения К
- Модель оптимизации процесса точения ВРР
Появление и развитие ротационного резца
Одним из способов повышения производительности обработки со снятием стружки является радикальное изменение условий взаимодействия между инструментом и обрабатываемым материалом. Большой резерв повышения стойкости инструмента и, следовательно, увеличения производительности процесса заложен в способе ротационного резания, основанном на частичной замене трения скольжения в контактных зонах инструмента с обрабатываемым материалом на трение качения /24,65/. Способ реализуется предоставлением одной степени свободы режущей части инструмента, выполненной в виде тела вращения, и ее принудительным или свободным вращением, при котором режущая кромка перемещается вдоль самой себя. Высокая стойкость ротационного инструмента обусловлена увеличением длины активного участка режущего лезвия, резким уменьшением скорости относительного скольжения в контактных зонах, активизацией теплоотвода, снижением сил трения и температуры на рабочих поверхностях, их охлаждением с восстановлением адсорбированных пленок окислов во время "холостого пробега".
Идея использования перемещающейся вдоль самой себя режущей кромки предложена Д.М.Непиром в 1868 году. В 1901 году изобретен инструмент с принудительно вращающейся режущей частью /107/, а в 1914 году предложен самовращающийся резец /138/. В нашей стране первые конструкции ротационных инструментов были созданы в 30-40-х годах А.М.Игнатьевым /3/, Л.М.Рониным и А.И.Кашириным /5, 64/, Б.Ф.Петропавловским /4/. Ротационное резание в своем развитии прошло несколько этапов, подробное хронологическое изложение которых приведено в работах /31,79/. Современный этап обусловлен тем, что возможности повышения стойкости и производительности путем создания новых инструментальных материалов, изменения структуры обрабатываемых материалов, рационального выбора геометрических параметров инструмента, улучшения качества их рабочих поверхностей и применения новых видов и методов охлаждения в значительной мере исчерпаны.
В этот период, начало которого относится к 50-м годам, проблемой резания ротационными инструментами занимались ряд советских и зарубежных ученых: А.И.Исаев, Г.С.Андреев /22,58/; В.А.Землян-ский, Ю.Ф.Гранин, Б.В.Лупкин /11,35-37,47-54/; Е.Г.Коновалов, В.А.Сидоренко, А.В.Соусь, М.Ф.Пашкевич, Л.А.Гик, Е.М.Найденышев /9,10,12-14,33,57,61,66-83,102,103,108-111,140-144/; В.Ф.Еобров, Д.Е.Иерусалимский /25-31,56/; В.Н.Подураев, Б.С.Дерганов /7,8, 39-42,114-118,131,133/; П.И.Ящерицын, Г.Ф.Шатуров /15,105,163/; А.В.Акимов /20,21/; А.Н.Резников, И.С.Кушнер /6,85-88,125-130/; А.В.Руднев, В.В.Жуловян /45,134-137/; Л.К.Кучма, А.Е.Адам /17-19, 89-91/; Шоу, Смит, Кук, Кеннеди, Ескелин /175,176,178,183/ в США; Кенникот, Томас, Лавсон /179,185/ в Англии; Амари Сальваторе и Амендолла /170-173/ в Италии; Познанский /182/ в Польше; Штаудин-гер /184/ в ФРГ; Дегнер /174/в ГДР; Кочемидов /124/ в Болгарии; К.Ивата, Т.Матода, С.Касэй, Т.Хара, М.Масуда /60,147,177/ в Японии и многие другие.
В основе выполненных исследований лежит геометрический и кинематический анализ процесса. Аналитические зависимости для определения рабочих углов инструментов, работающих по первой и второй геометрическим схемам, получены в работах /30,31,79,102,110,129, 136,140,144 и др./ для случаев строгания, точения, фрезерования.
Много работ посвящено исследованию важнейшей кинематической характеристики - скорости самовращения режущей кромки. Получен ряд формул /54,79,140 и др./ для определения кинематического коэффициента, а также выполнены его экспериментальные исследования /36,38,79,89,102 и др./. Величина кинематического коэффициента определяет траекторию движения точки режущей кромки и ее путь в обрабатываемом материале, а также истинную скорость резания /30, 31,33,49,54,79,102 и др./.
Детально исследованы вопросы динамики процесса резания. Получены теоретические и экспериментальные зависимости составляющих силы резания /31,52,61,70,71,85,88,90,144,163 и др./. Проведены исследования колебаний ротационных инструментов /66,79,86, 107,145 и др./, особенностей стружкообразования, пластического деформирования срезаемого слоя, трения между обрабатываемым материалом и инструментом, работы деформации и трения /25,26,28,29, 31,51,56 и др./.
Рассмотрены тепловые явления /19,40,57,61,79,85,88,126,127, 137 и др./ при резании ротационными инструментами, характер их износа и причины повышения стойкости /19,31,35,37-39,41,49,50,58, 64,79 и др./. Ряд работ посвящен исследованию показателей качества поверхности, обработанной ротационным инструментом: шероховатости /31,41,45,54,79,91,135 и др./; наклепа /41,45,135 и др./;. величины и глубины залегания остаточных напряжений /45,54,134, 137 и др./.
На основе выполненных исследований рассмотрены вопросы рационального конструирования инструмента /59,74,75,80-82,103,125, 141 и др./, ряд конструкций выполнен на уровне изобретений /7-Т2/.
Преимущества ротационного инструмента подтверждаются при его испытаниях и эффективностью внедрения в производство /18,19,39/.
Имитационная модель процесса
Особенности процесса точения ВРР во многом определяются положением активных участков режущих кромок, физическими размерами, площадью и конфигурацией сечения срезаемого слоя, а также изменением этих параметров во времени как для отдельных витков, так и для резца в целом. Однако, ввиду сложности процесса, обусловленной сложностью пространственной конфигурации режущих кромок и их относительного движения в обрабатываемом материале, вышеперечисленные параметры не могут быть определены аналитически. Также не может быть признано целесообразным получение модели на основе обработки результатов натурных экспериментов, так как число значимых факторов, определяющих исследуемые параметры, оказывается не меньшим десяти и, кроме того, значимыми являются многие эффекты взаимодействий.
Наиболее рациональным в этих условиях является имитационное моделирование, т.е. экспериментирование с моделью реальной системы, которое позволяет преодолеть следующие недостатки натурного эксперимента: сложность поддержания одинаковых условий эксперимента при его повторении и во времени проведения; чрезмерные затраты времени и средств; невозможность исследования множества альтернативных вариантов. Достоинством имитационной модели является возможность осуществить детальное наблюдение за ходом процесса, следовательно, модель становится не только средством постановки экспериментов, но и средством их интерпретации. Кроме того, модель, качественная и количественная адекватность которой проверена постановкой натурных экспериментов, может использоваться как инструмент прогнозирования, оптимизации и управления процессом точения ВРР. Процесс резания вообще,и в особенности процесс ротационного точения винтовым резцом, представляет собой сложный комплекс взаимосвязанных явлений. Поэтому в качестве методической основы имитационного моделирования служит структурно-логическая схема обработки ВРР (см. рис.1.1), являющаяся конкретной детализацией структурной схемы процесса резания /114/.
Проверка адекватности имитационной модели
Имитационная модель и теоретические выводы, положенные в ее основу, должны быть проверены на предмет соответствия действительности.
Построение модели, ее анализ и обоснование представляли собой непрерывный процесс, начинающийся одновременно с исследованиями, что обусловлено малой изученностью моделируемого процесса и необходимостью подтверждения и уточнения принятых в модели допущений. В этом плане процесс построения модели можно рассматривать как непрерывные взаимоббогащающие переходы от оценки адекватности к корректировке и модификации модели. При этом оценка адекватности не всегда сопровождалась постановкой натурного эксперимента. Часто она представляла собой анализ результатов работы модели или некоторых ее элементов. Например, очевидным является утверждение, что площадь сечения среза может изменяться во времени, однако ее среднее значение не может превышать номинальной величины.
В процессе построения модели и ее корректировки она подвергалась постоянному анализу с позиций априорной информации о поведении системы. Последнее осуществлялось методом, предложенным Тьюрингом /165/.
Будучи убежденным, что модель призвана отражать структуру и внутренние связи моделируемой системы, автор стремился к изоморф-нохзти модели и реальной системы. В соответствии со степенью изоморфизма модели оценивалась адекватность ее отдельных элементов и взаимодействий между ними. Возможность такого подхода основана на том, что в системе существуют элементы, которые почти независимы или взаимодействуют простейшим образом. Так моделирование процесса формообразования в поперечном сечении детали выполняется отдельной подпрограммой Ш и может анализироваться вне зависимости от работы других элементов модели. Проверка адекватности в этом случае заключалась в получении и совместном анализе круг-лограммы детали и расчетной круглограммы для одних и тех же условий (см. рис.4.13).
Испытание внутренней структуры модели и принятых гипотез проводилось также в ходе моделирования. Например, в первоначальной модели предполагалось, что вероятность работы витков резца, не имеющих точек пересечения с профилем поверхности резания в пределах поля припуска (см. рис.2.6), очень мала. Это проверялось специальным условием, приводящим к останову моделирования в случае работы такого "нульп-витка . Опыт моделирования, однако, показал обратное. В соответствии с этим была проведена модификация структуры модели, направленная на анализ работы "нуль"-витков.
Сопоставление результатов, полученных в натурном,машинном экспериментах (рис. 4.14), подтверждает адекватность моделирования процесса формообразования при обработке БРР. Адекватность модели также подтверждается совпадением условий, определяющих минимум коэффициента неравномерности Ырв машинном эксперименте и минимум отношения Arz/rzB натурном эксперименте (рис. 4.8).
Экспериментальные исследования неравномерности вращения ВРР и величины соотношения К
Имитационная модель процесса точения ВРР предполагает постоянство угла поворота резца за период оборота детали. Вместе с тем,наблюдения показывают, что вращение режущей части монет быть неравномерным. Выполненные исследования /93,117,166/ кинематического коэффициента рассматривают его среднее значение за большие промежутки времени и не характеризуют равномерность самовращения ротационных инструментов.
Результаты экспериментальных исследований колебаний скорости самовращения ВРР, проведенных в соответствии с методикой подразделов 3.5 и 3.6, представлены на рис. 4.1 - 4.5.
Условия эксперимента: обрабатываемый материал сталь 40Х; материал резца сталь Р6ЇД5; охлаждение - эмульсия; К0 = 32 мм; П = = 6 мм; L = I; Кн = +1; (X = 15; jf = 10; Г = 19,3 мм; Є = =22; t = 2,5 мм; S =0,21 мм/об; П = 400 об/мин ( V = 1,34 м/с); подшипниковый узел выполнен по схеме Ш (см.рис. 4.II).
Наблюдения показывают, что в исследованных пределах изменения факторов вращение резца устойчивое: без остановок и вибраций. Периодическое замедление вплоть до остановки вращения возникает при незначительной глубине резания (рис. 4.1,а) после поворота режущей части на угол меньший чем сТТ/1 . Это объясняется периодическим уменьшением расстояния от оси детали до режущей кромки, что может привести к выходу резца из контакта с деталью.
Модель оптимизации процесса точения ВРР
В качестве оптимизируемых величин чаще всего используют назначаемые рабочие режимы: скорость и подачу. Кроме технологических рабочих режимов при обработке ВРР необходимо оптимизировать по меньшей мере один параметр конструкции инструмента, эффективно влияющий на качественную характеристику процесса. Наличие непосредственного и доминирующего влияния на процесс обработки ВРР соотношения Кр и явная функциональная зависимость Кп от угла наклона оси резца, а также возможность и простота изменения последнего : определяют выбор угла как оптимизируемой и управляемой переменной.
Составление экономических критериев оптимизации для обработки ВРР производится также как и для других инструментов, при этом влияние угла ё на коэфсощиент времени резания учитывается аналогично рассмотренному выше.
Для некоторых производственных условий, когда особо важное значение приобретает достижение равномерности или снижение уровня сил резания, требуется в качестве критерия оптимизации для целевой функции компромисс между минимальной стоимостью и минимальным значением одного из коэффициентов неравномерности или между минимальной стоимостью и минимальным значением суммарной длины режущих кромок. В качестве комплексного критерия оптимальности могут быть использованы следующие функции:
В зависимости от значения компромиссного коэффициента Ь0ещ 1] достигается различная степень компромисса между частны-ми критериями оптимизации uK(n,S,) HU (s,) , U. (S, f J , L-Cp(S,J . Так,при L0= U стоимость не учитывается и целевые функции (5.5-5.7) превращаются соответственно в целевые функции равномерности и суммарной длины режущих кромок. При возрастании L в комплексном критерии оптимизации возрастает доля критерия стоимости и при L0" і целевые функции (5.5-5.7) превращаются в целевую функцию стоимости (5.4).
В общих случаях интерпретация компромисса довольно сложна. Однако в нашем случае, ввиду незначительного влияния угла Є на величину стоимости и его существенного влияния на равномерность и суммарную длину режущих кромок, а также ввиду отсутствия непосредственного влияния частоты вращения детали на jj f Ц , LCD можно ожидать, что использование комплексных критериев оптимизации при незначительном возрастании стоимости операции может существенно улучшить качественные характеристики процесса обработки в соответствии с потребностями и конкретными условиями производства.
Технические ограничения на процесс обработки ВРР во многом сходны по своему составу и порядку назначения с техническими ограничениями, используемыми при оптимизации обычного процесса токарной обработки. При обработке ВРР наряду с этим необходимо учитывать ряд ограничений, обусловленных особенностями инструмента: заданная долговечность подшипникового узла; допускаемое сечение среза одним режущим лезвием; свободный выход стружки из стружечной канавки; диапазон возможного изменения угла наклона оси резца. Некоторые ограничения должны быть дополнены в связи с наличием зависимости коэффициента времени резания от оптимизируемой переменной 6 (5.3).
